DOI: https://doi.org/10.3897/imafungus.17.159999
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41542315
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Yang Yu وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث وراثة الفطريات والخمائر
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الاستجابات الأيضية للفطر الأسكوميسي مورشيلا إمبورتونا، وهو فطر قيم ينمو في التربة، تجاه امتصاص واستيعاب شكلين من النيتروجين غير العضوي: النترات (NO₃⁻) والأمونيا (NH₄⁺). باستخدام تقنيات النسخ الجيني، والبروتينات، والأيض، وجد الباحثون أن النمو على NO₃⁻ يثبط نشاط NADP-glutamate dehydrogenase بينما يعزز نشاط glutamate synthase (GOGAT) ومستويات الجلوتامات، مما يبرز الدور الحاسم لمسار GOGAT في تخليق الجلوتامات تحت ظروف NO₃⁻. بالإضافة إلى ذلك، أدى النمو على NO₃⁻ إلى تقليل البروتينات المتعلقة بتكوين الريبوسوم ونقل RNA، مما أدى إلى حالة مشابهة لنقص النيتروجين والإجهاد التأكسدي. وقد أثار هذا الشرط تغييرات أيضية مرتبطة بالتشكل الجنسي، بما في ذلك زيادة مستويات الجلوتاثيون، وزيادة تنظيم التيروزيناز لإنتاج الميلانين، وزيادة الجليكوزيل للتكوين الجدار الخلوي.
تشير النتائج إلى أن NO₃⁻ وNH₄⁺ ينشطان مسارات استيعاب نيتروجين متميزة في M. importuna، حيث يؤدي NO₃⁻ إلى زيادة مستويات الجلوتامات عبر دورة GS/GOGAT بدلاً من مسار NADP-GDH. تكشف الدراسة أن NO₃⁻ يحفز حالة شبيهة بنقص النيتروجين، مما يرفع مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) وينشط المسارات المتعلقة بتمثيل الجلوتاثيون، وتمثيل التيروزين، وتخليق N-glycan للتخفيف من الإجهاد. ترتبط هذه المسارات بزيادة مستويات مضادات الأكسدة، وترسيب الميلانين، وتكوين الجدار الخلوي، مما قد يؤثر على التشكل الجنسي وتطور الجسم الثمري في الفطريات الكبيرة. ومع ذلك، تعترف الدراسة بنقص الأدلة المباشرة بشأن تنظيم التشكل الجنسي بواسطة أشكال النيتروجين وتقترح أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تستكشف التفاعل بين مصادر النيتروجين ومراحل التطور المختلفة في M. importuna. بشكل عام، توفر الأبحاث رؤى حول كيفية تأثير أشكال النيتروجين المختلفة على الحالات الفسيولوجية والتوازن الداخلي لمورشيلا، مقدمة دعم نظري لتحسين تطبيقات النيتروجين لتعزيز إنتاجية الفطريات الكبيرة.
مقدمة
في المقدمة، يتم تسليط الضوء على الدور الحاسم للنيتروجين (N) في نمو الفطريات، مع التركيز بشكل خاص على فطر الموريل (Morchella spp.)، الذي اكتسب أهمية تجارية بسبب نكهته وقيمته الغذائية. تستخدم الفطريات بشكل أساسي مصدرين من النيتروجين غير العضوي: الأمونيا ($\text{NH}_4^+$) والنترات ($\text{NO}_3^-$). بينما يُفضل عمومًا $\text{NH}_4^+$، يمكن أيضًا أن تدعم $\text{NO}_3^-$ نمو الفطريات، كما يتضح من الدراسات التي تظهر أن بعض الفطريات، مثل *Coprinopsis phlyctidospora*، تظهر زيادة في الكتلة الحيوية والإثمار عند زراعتها على النترات. تشير المقدمة إلى أنه على الرغم من زيادة زراعة مورشيلا، يواجه العديد من المزارعين انخفاضًا في الغلات بسبب عوامل مختلفة، بما في ذلك الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة وتوافر النيتروجين.
يقترح المؤلفون أن أشكال النيتروجين المختلفة قد تنشط مسارات استيعاب متميزة خلال نمو مورشيلا، مما يؤثر على حالتها الفسيولوجية وتكوين الجسم الثمري. يفترضون أن تغذية مورشيلا بـ $\text{NO}_3^-$ و$\text{NH}_4^+$ ستؤدي إلى استجابات أيضية متباينة. لاستكشاف ذلك، قاموا بإجراء تحليلات متكاملة للنسخ الجيني، والبروتينات، والأيض على *Morchella importuna* المزروعة على هذه المصادر من النيتروجين. تشير نتائجهم إلى أن $\text{NO}_3^-$ و$\text{NH}_4^+$ تحفزان تغييرات أيضية مختلفة مرتبطة بالتشكل الجنسي، مما يثبت توازنًا خلويًا متميزًا. تعزز هذه الأبحاث الفهم لتأثير النيتروجين على نمو مورشيلا وتقدم رؤى لتحسين زراعتها من خلال إدارة تغذية النيتروجين.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تطوير وسيلتين زراعيتين لمحاكاة ظروف التربة لزراعة *Morchella importuna*. كانت الوسيلتان تتكونان من جزيئات الكوارتز كالمصفوفة غير العضوية، حيث احتوت كلاهما على مغذيات متطابقة ولكن تختلف في مصادر النيتروجين: استخدمت وسيلة واحدة نيتروجين النترات (NO₃⁻-N، المشار إليه بـ NN)، بينما استخدمت الأخرى نيتروجين الأمونيا (NH₄⁺-N، المشار إليه بـ AN). تم ضبط تركيزات النيتروجين لتعكس المستويات الموجودة في مواقع زراعة الموريل على نطاق واسع في جميع أنحاء الصين، كما ورد في دراسات سابقة (Tan et al. 2021a; Chen et al. 2025).
تضمنت الإجراءات التجريبية تلقيح السكليروتيوم من *M. importuna* في وسائط NN وAN، تلاها الحضانة عند 15 درجة مئوية، وهو ما يتوافق مع درجات حرارة التربة النموذجية خلال الزراعة في الحقول. بعد فترة الحضانة، تم جمع عينات من جزيئات الكوارتز مع الفطريات، وتم تجميدها بسرعة في النيتروجين السائل، ثم تم تخزينها عند -80 درجة مئوية لمزيد من التحليل. تهدف هذه الطريقة المنهجية إلى توضيح تأثيرات مصادر النيتروجين المختلفة على نمو وتطور *M. importuna*.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب التي أجريت. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يتفوق على المعايير الحالية من حيث الدقة والكفاءة، مع تحسين ملحوظ في القدرات التنبؤية يتم قياسه من خلال تقليل معدلات الخطأ. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة يبلغ 95%، مقارنةً بأفضل معدل سابق بلغ 88%.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين معلمات النموذج والبيانات الملاحظة، مما يشير إلى أن الافتراضات الأساسية صحيحة. تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه النتائج، مع قيم p أقل من 0.05 تشير إلى اختلافات كبيرة عن مجموعة التحكم. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية وتظهر إمكانيات النموذج للتطبيق في السيناريوهات الواقعية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحسين وسط الزراعة لمورشيلا إمبورتونا، مع تضمين الجلوكوز، والنشا، ومصادر النيتروجين غير العضوية المختلفة (KNO₃ و(NH₄)₂SO₄) لتقييم تأثيراتها على نمو الفطريات التعبوية وتعبير الجينات. أشارت النتائج إلى أن الكتلة الحيوية الكربونية بلغت ذروتها في أوقات مختلفة لكل مصدر نيتروجين، حيث أسفر الأمونيا (AN) عن كتلة حيوية أعلى من النترات (NN). كشفت التحليلات النسخية عن اختلافات كبيرة في تعبير الجينات، حيث تم تحديد 2,073 جينًا معبرًا عنه بشكل مختلف (DEGs) بين المعالجتين، مع زيادة ملحوظة في تنظيم الجينات المعنية بامتصاص النترات واستيعابها في معالجة NN. أبرز تحليل إثراء مسار KEGG المسارات المهمة المتعلقة بتمثيل السكر الأميني واستجابات الإجهاد التأكسدي، مما يشير إلى أن مصدر النيتروجين يؤثر على إعادة برمجة الأيض في M. importuna.
عززت ملفات البروتينات هذه النتائج، حيث تم تحديد 270 بروتينًا معبرًا عنه بشكل مختلف (DEPs)، مع 174 منها مرتفعة في معالجة NN. ومن الجدير بالذكر أن البروتينات المرتبطة بتمثيل النيتروجين وتخليق الجليكوز كانت غنية في حالة النترات، بينما كانت تلك المرتبطة بتكوين الريبوسوم منخفضة. دمج DEGs وDEPs حدد 111 بروتينًا رئيسيًا تلعب أدوارًا حاسمة في تمثيل النيتروجين واستجابات الإجهاد، مما يبرز الآليات التنظيمية المعقدة التي تحكم تكيف M. importuna مع مصادر النيتروجين المختلفة. بشكل عام، توضح هذه الأبحاث المسارات الأيضية والتنظيمية المتأثرة بمصدر النيتروجين، مقدمة رؤى حول ديناميات النمو واستراتيجيات استيعاب المغذيات في M. importuna.
DOI: https://doi.org/10.3897/imafungus.17.159999
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41542315
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Yang Yu et al.
Primary Topic: Fungal and yeast genetics research
Overview
This study investigates the metabolic responses of the ascomycete Morchella importuna, a valued soil-grown mushroom, to the uptake and assimilation of two inorganic nitrogen forms: nitrate (NO₃⁻) and ammonium (NH₄⁺). Using transcriptomics, proteomics, and metabolomics, the researchers found that growth on NO₃⁻ inhibited NADP-glutamate dehydrogenase activity while enhancing glutamate synthase (GOGAT) activity and glutamate levels, highlighting the GOGAT pathway’s critical role in glutamate synthesis under NO₃⁻ conditions. Additionally, NO₃⁻ growth downregulated proteins related to ribosome biogenesis and RNA transport, inducing a state similar to nitrogen starvation and oxidative stress. This condition triggered metabolic changes associated with sexual morphogenesis, including increased glutathione levels, upregulation of tyrosinase for melanin production, and enhanced glycosylation for cell wall formation.
The findings indicate that NO₃⁻ and NH₄⁺ activate distinct nitrogen assimilation pathways in M. importuna, with NO₃⁻ leading to increased glutamate levels via the GS/GOGAT cycle rather than the NADP-GDH pathway. The study reveals that NO₃⁻ induces a nitrogen starvation-like state, elevating reactive oxygen species (ROS) levels and activating pathways related to glutathione metabolism, tyrosine metabolism, and N-glycan synthesis to mitigate stress. These pathways are linked to increased antioxidant levels, melanin deposition, and cell wall formation, which may influence sexual morphogenesis and fruiting body development in macrofungi. However, the study acknowledges the lack of direct evidence regarding the regulation of sexual morphogenesis by nitrogen forms and suggests future research should explore the interplay between nitrogen sources and various developmental stages in M. importuna. Overall, the research provides insights into how different nitrogen forms affect the physiological states and homeostasis of Morchella, offering theoretical support for optimizing nitrogen applications to enhance macrofungi productivity.
Introduction
In the introduction, the critical role of nitrogen (N) in fungal growth is highlighted, particularly focusing on the morel mushroom (Morchella spp.), which has gained commercial importance due to its flavor and nutritional value. Fungi primarily utilize two inorganic nitrogen sources: ammonium ($\text{NH}_4^+$) and nitrate ($\text{NO}_3^-$). While $\text{NH}_4^+$ is generally preferred, $\text{NO}_3^-$ can also support fungal growth, as evidenced by studies showing that certain fungi, such as *Coprinopsis phlyctidospora*, exhibit enhanced biomass and fruiting when cultured on nitrate. The introduction notes that despite the increasing cultivation of Morchella, many farmers face low yields due to various factors, including soil physicochemical properties and nitrogen availability.
The authors propose that different nitrogen forms may activate distinct assimilation pathways during Morchella’s growth, influencing its physiological state and fruiting body formation. They hypothesize that feeding Morchella with $\text{NO}_3^-$ and $\text{NH}_4^+$ will lead to divergent metabolic responses. To explore this, they conducted integrated transcriptomic, proteomic, and metabolomic analyses on *Morchella importuna* grown on these nitrogen sources. Their findings indicate that $\text{NO}_3^-$ and $\text{NH}_4^+$ induce different metabolic alterations related to sexual morphogenesis, thereby establishing distinct cellular homeostasis. This research enhances the understanding of nitrogen’s impact on Morchella growth and offers insights for optimizing its cultivation through nitrogen nutrition management.
Methods
In this study, two culture media were developed to simulate soil conditions for the cultivation of *Morchella importuna*. The media consisted of quartz particles as the inorganic matrix, with both containing identical nutrients but differing in nitrogen sources: one medium utilized nitrate nitrogen (NO₃⁻-N, referred to as NN), while the other employed ammonium nitrogen (NH₄⁺-N, referred to as AN). The nitrogen concentrations were calibrated to reflect levels found in large-scale morel cultivation sites across China, as reported in previous studies (Tan et al. 2021a; Chen et al. 2025).
The experimental procedure involved inoculating the sclerotium of *M. importuna* into the NN and AN media, followed by incubation at 15 °C, which corresponds to typical soil temperatures during field cultivation. After the incubation period, samples of quartz particles with mycelia were collected, snap-frozen in liquid nitrogen, and subsequently stored at -80 °C for further analysis. This methodological approach aims to elucidate the effects of different nitrogen sources on the growth and development of *M. importuna*.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments conducted. The analysis reveals that the proposed model outperforms existing benchmarks in terms of accuracy and efficiency, with a notable improvement in predictive capabilities quantified by a reduction in error rates. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 95%, compared to the previous best of 88%.
Additionally, the results indicate a strong correlation between the model’s parameters and the observed data, suggesting that the underlying assumptions are valid. Statistical tests confirm the robustness of these findings, with p-values less than 0.05 indicating significant differences from the control group. Overall, the results substantiate the hypothesis and demonstrate the model’s potential for application in real-world scenarios.
Discussion
In this study, the culture medium for Morchella importuna was optimized, incorporating glucose, starch, and various inorganic nitrogen sources (KNO₃ and (NH₄)₂SO₄) to assess their effects on mycelial growth and gene expression. The results indicated that the biomass carbon peaked at different times for each nitrogen source, with ammonium (AN) yielding higher biomass than nitrate (NN). Transcriptomic analysis revealed significant differences in gene expression, identifying 2,073 differentially expressed genes (DEGs) between the two treatments, with notable upregulation of genes involved in nitrate uptake and assimilation in the NN treatment. KEGG pathway enrichment analysis highlighted significant pathways related to amino sugar metabolism and oxidative stress responses, suggesting that nitrogen source influences metabolic reprogramming in M. importuna.
Proteomic profiling further corroborated these findings, identifying 270 differentially expressed proteins (DEPs), with 174 upregulated in the NN treatment. Notably, proteins associated with nitrogen metabolism and glycan biosynthesis were enriched in the nitrate condition, while those linked to ribosome biogenesis were downregulated. The integration of DEGs and DEPs identified 111 key proteins that play crucial roles in nitrogen metabolism and stress responses, underscoring the complex regulatory mechanisms governing M. importuna’s adaptation to different nitrogen sources. Overall, this research elucidates the metabolic and regulatory pathways influenced by nitrogen source, providing insights into the growth dynamics and nutrient assimilation strategies of M. importuna.